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柴油渡轮经过直流电微电网改造,焕发新生

悦智网  · 公众号  ·  · 2019-11-02 15:00

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在船上使用直流电并不是一个新想法。 早在1880年,托马斯•爱迪生就用一台发电机产生直流电,为哥伦比亚号汽船照明提供电力。但由于陆地的直流电气系统逐渐让位于交流电系统,在20世纪大部分时间内,船上直流电系统都未能得到太大发展。直到最近,海上动力工程师重新燃起对直流电的兴趣,开发利用直流电相对于交流电的优势。
保障并维持电力质量是船舶交流电源的一大问题。 交流电的电流和电压会产生轻微的相位差,但若电流和电压相位差过大,则会导致电压骤降或突增,久而久之会降低设备性能,甚至会造成网络停机。 相比城市电网,船上电气系统非常小,因而会遭受不稳定影响,比如谐波失真,在这种情况下,会出现超出基本频率的不良高频(台湾地区的基准频率是60赫兹)。 使用直流电时,波形不会发生不同步,因此电力的质量高。
直流系统不需要变压器来调节电压,也无需整流器和逆变器转换直、交流电。 使用更小巧有效的固态电源转换器可以更好地控制电压和电流。 因此,操作带有变频驱动器的设备,如电机驱动器,一种可以改善电机控制的功率转换器。
最重要的是,直流电动系统与燃料电池、锂离子电池和超级电容器等直流电源设备配合良好。 因此,将它们集成到直流而非交流系统中可以节省能量,否则,将直流电转换为交流电,再转换回直流,会有能量损失。
但要完全依赖直流电力来操作渡轮,需要大量的电池,这不仅成本高昂,而且不便管理。 许多直流电气元件和设备(如直流电灯和直流空调)的应用仍不广泛。
鉴于以上原因,我们决定创造一艘混合动力交/直流渡轮。 主推进系统和电池将以直流电运行,而照明、空调和甲板机械等负载物将以交流电运行。 整个系统将形成一个微电网,发电、配电、蓄电和负载组成一个独立的网络。
我们没有设计一艘新船来进行实验,而是选择对现有的柴油船进行改造。 这一决定主要是出于成本考虑: 我们的重点是电力和推进系统,从一艘适合航海的船着手是更实际和经济的选择。 改造“幸福号”的成本达到40万美元,而后来我们重新制造的一艘混合动力渡轮造价约为200万美元。
“幸福号”最初于2009年投入使用,短途航行650米,往返于高雄市热门旅游景点旗津岛和鼓山轮渡站。 这艘渡轮装有两台柴油发动机,每台发动机的额定功率为225千瓦,用以驱动螺旋桨的主轴。 另有两台88千瓦的柴油发电机为机舱泵、空调、照明和甲板机械提供动力。

用柴油发动机来执行这样的任务太过大材小用了。 理论上,这艘渡轮的最高速度是10节/小时,即18.5公里/小时,而实际上很少能达到。 在短途航线上,船离开码头,速度短暂地达到约5节/小时,随后就会减速,直到到达对面码头。 它大约有2/3的时间都在鼓山或旗津怠速空转,等待乘客上船、下船。

频繁的停船、启动和怠速空转致使柴油发动机过早地磨损并降低效率。 过去,“幸福号”和其他3艘航行在该水道的渡轮令高雄上空柴油烟雾弥漫,当时地方官员和企业都表示过不满。
事实证明,电力推进是频繁而短暂的航程的绝佳选择。 2016年6月,使用交/直流混合动力系统改造“幸福号”的项目启动。 新系统由船舶暨海洋产业研发中心(SOIC)、高雄科技大学、丹麦奥尔堡大学的海洋推进研究人员合作开发。
这一电气化改造项目本可以外包给ABB或西门子这样的大型电气系统集成商,但SOIC的管理人员决定自己监督改造工程。 SOIC的使命是支持台湾地区航运业的技术发展,培养本地制造业,因此将该项目留在台湾地区是有道理的。
我们的团队首先创建了两个相互连接的电力系统:






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